MODIFICAÇÕES DA DINÂMICA HIDROLÓGICA DO SOLO

EM RESPOSTA AS MUDANÇAS DE USO E COBERTURA: UM

ESTUDO DE CASO NA REGIÃO SERRANA DO RIO DE JANEIRO

Sarah Lawall (mestranda/PPGG-UFRJ/ sarahlawall@yahoo.com.br)

Ana Carolina Ferraz dos Santos (graduanda/ DGEO-UFRJ/anaferraz87@hotmail.com)

Pamela de Figueiredo Curvelo da Silva (graduanda/ DGEO-UFRJ/pamelafigueiredo@yahoo.com.br)

Patrícia de Oliveira da Mota ((graduanda/ DGEO-UFRJ/patriciamotaufrj@yahoo.com.br)

Nelson Ferreira Fernandes (Prof. Assistente DGEO - UFRJ/nelsonff@acd.ufrj.br)

A infiltração é o processo de entrada da água no perfil do solo. Ela é sensível às mudanças de uso e cobertura podendo alterar as propriedades físicas do solo e intensificar o escoamento superficial. Isso se torna mais grave em áreas de relevo acidentado, como é o caso da Bacia Hidrográfica do Bonfim a qual, possui marcadamente, três tipos de uso e cobertura: florestal, agrícola e pastagem. Com isso, objetiva-se entender o processo de infiltração e movimentação da água no perfil do solo em diferentes áreas na bacia do Bonfim. Como metodologia, na análise do topo do solo utilizou-se infiltrômetros de anel duplo mantendo uma carga constante de 10 cm, obtendo-se a taxa de infiltração básica (TIB). Já para as profundidades de 20 e 50 cm foi utilizado o Permeâmetro (tipo Guelph) modelo IAC (Instituto Agronômico de Campinas) mantendo uma carga hidráulica constante de 10 cm, permitindo assim, calcular a condutividade hidráulica saturada (Ksat). Paralelamente, foi descrito o perfil do solo in situ visando à análise da algumas propriedades como, textura e estrutura do solo. Como resultado pode-se observar que, tanto para TIB quanto Ksat tiveram uma redução decrescente da infiltração seguindo floresta, agricultura e pastagem. Os resultados da TIB nas florestas são de 2 a 15 vezes superiores às áreas agrícolas. Para Ksat observou-se, nas profundidades de 20 cm, que a Ksat é maior nas áreas florestadas em relação à agrícola e pastagem (na ordem de 5 a 20). No entanto, quando se analisa o poço a 50 cm, a Ksat na floresta foi menor em relação à agricultura e a pastagem que mantiveram os valores encontrados em 20 cm ou tornaram-se maiores nessa profundidade. Isso pode ser justificado pela atuante atividade biogênica na área de floresta e o manejo inadequado para esses ambientes na pastagem e agricultura. Palavras-chave: infiltração, uso e cobertura, mensuração.

The infiltration is the process that characterizes the entrance water in the soil. This process is affected by modifications in soil use and cover which may alter soil physical properties and increase surface runoff. These changes become more important in areas with a hilly topography, such as the Bonfim river drainage basin, which has three different types of usage and soil cover: forest, agriculture and grazing. The main purpose here is to characterize the processes of water infiltration and redistribution inside the soil profile in different areas of the studied basin. At the top of the soil profile, the basic infiltration rate (TIB) was obtained using a double ring infiltrometer with a 10cm constant head. For the upper portions of the soil profile (20cm and 50cm depths), in turn, the soil saturated hydraulic conductivity (Ksat) was measured using a Guelph-type field permeameter, also under a 10cm constant head. In parallel, disturbed and undisturbed soil samples were collected to characterize some soil physical properties, like texture and

structure. The results show that both TIB and Ksat values decrease in the following order: forest, agriculture and grazing. TIB values for soils under forest are 2 to 15 times greater than the ones measured under agriculture. The results also show that Ksat values at 20cm depth, for soils under forest, are 5 to 20 times greater than the ones observed for soils under agriculture and grazing. However, for greater depths (50cm), Ksat values under forest are smaller than the ones measured at agriculture and grazing. The higher Ksat values observed for soils under forest at 20cm depths may be due to the characteristics of their A horizon and the intense associated biogenic activity.

Key-words: infiltration, use and cover, measuring.

O dueto solo e água são, dentre os recursos naturais, elementos absolutamente imprescindíveis

para a manutenção da vida humana e desenvolvimento socioeconômico populacional. Porém, formas de

produção e reprodução do espaço geográfico, especialmente em ambientes urbanos e agrícolas, vêm

comprometendo a qualidade e quantidade desse recurso deixando dúvidas sobre a garantida desse bem

para as gerações futuras.

A degradação do solo por retirada da vegetação, manejo inadequado da produção agrícola e o

pastoreio tem comprometido a qualidade das propriedades físicas do solo e, por conseguinte,

desequilibrando a relação infiltração e escoamento superficial.

Entende-se como infiltração o processo natural de entrada em superfície e movimentação de água

em superfície para interior do solo (DUNE & LEOPOLD, 1978). O processo de passagem da superfície

para o interior do solo depende fundamentalmente da disponibilidade para infiltrar, da natureza do solo,

do estado da sua superfície e das quantidades de água e ar, inicialmente presentes no seu interior. Os

principais fatores reguladores desse processo são as características das precipitações, as condições e

características dos solos, umidade antecedente e cobertura vegetal (Coelho Neto, 1998; Tucci e Clark,

1998).

Dentre os fatores reguladores, a cobertura vegetal tem seu papel de destaque uma vez que, pode

influenciar de forma direta nos demais fatores. A vegetação reveste o topo do solo protegendo-o dos

processos erosivos; é fonte de matéria orgânica que, quando transformada em húmus, garante o teor de

água nos horizontes superficiais e uma boa percolação. Esse verdadeiro manto que a cobertura vegetal faz

no solo, age positivamente reduzindo o escoamento superficial e a erosão dos solos (Bertoni e Lombardi

Neto, 2008).

Neste contexto, a floresta como uma área controle dos processos hidrológicos e das propriedades

dos solos, destacando que é neste tipo de cobertura que se encontra o clímax na inter-relação cobertura

vegetal-condições do solo-infiltração (Tucci e Clark, 1998). Então, compreende-se que uma vez

substituída, imediatamente acarretará para o sistema, mudanças significativas na composição superficial

dos solos e, por conseguinte, alterações na dinâmica hidrológica local. As principais propriedades físicas

e hídricas dos solos que tem relação direta com os processos hidrológicos e, que servem como parâmetros

para avaliar as intervenções nos sistemas são: a textura, a estrutura, a densidade global das partículas e a

permeabilidade.

Alterações e distúrbios nesse processo estão freqüentemente atrelados às bruscas mudanças e

superposições de diferentes tipos de uso e cobertura do solo, condicionando desequilíbrios no

comportamento hidrológico de determinadas bacias hidrográficas. Esse cenário de degradação tem sido

freqüentemente notificado em bacias hidrográficas brasileiras, ampliando assim, a necessidade e o

interesse por estudos relacionados ao monitoramento hidrológico.

O conhecimento do processo de infiltração fornece subsídios para um eficiente manejo do solo e

da água, dimensionamento de reservatórios, estruturas de controle de erosão e inundação, canais e

sistemas de irrigação e drenagem (Pruski et al. 2003).

Visando entender a resposta hidrológica dos solos em diferentes tipos de uso e cobertura, esse

trabalho se fundamenta, de forma preliminar, no estudo hidrológico de uma topossequência selecionada na

Bacia do Bonfim, região serrana do Rio de Janeiro, submetida a dois tipos de usos e cobertura distintos,

ou seja, agrícola e florestal.

Nessa encosta foram avaliados alguns parâmetros dentre os quais destaca-se, a capacidade de

infiltração da água em superfície (TBI), a condutividade hidráulica saturada que obtém dados acerca da

permissividade do solo a passagem de água e por fim, analise desse meio poroso através da caracterização

das frações granulométricas.

Com isso, espera-se ressaltar a importância do estudo da infiltração amparada na forma como

homem vem produzindo e reproduzindo o espaço geográfico e como conseqüência, vem deixando marcas

que são ora reparáveis ora irreparáveis.

Materiais e Métodos

Área de estudo

A topossequência selecionada insere-se na bacia hidrográfica do Bonfim está localizada na Região

Serrana do Estado do Rio de Janeiro, nos limites do distrito de Correas no município de Petrópolis. Ela é

uma das sub-bacias do rio Piabanha, que é principal rio que corta a região desembocando no Paraíba do

Sul.

Figura 01: Mapa de Localização da Bacia do Bonfim, distrito de Correas-Petrópolis, região serrana do Rio de Janeiro. Fonte: Coura, P.H.F. e Lawall, S.

Conhecida localmente por vale do Bonfim, esta bacia tem como principais atividades o plantio de

hortaliças e o turismo (ligado ao turismo de aventura e ao ecoturismo). Parte de sua delimitação integra os

limites do Parque Nacional da Serra dos Órgãos (criado de 1939), o que tem acarretado uma série de

conflitos fundiários locais.

Em relação ao uso e cobertura do solo, a bacia do Bonfim é bem compartimentada destacando em

suas cabeceiras, áreas preservadas com espécies nativas de mata atlântica. Já no curso médio do rio

Bonfim, localiza-se as áreas de agricultura intensiva (olericultura) e em pequena expressão, a pastagem. E

por fim, no baixo curso, a expansão urbana dividindo-se em áreas densamente ocupadas, por população

mais carente e, as casas de veranistas com luxuosos condomínios.

O estudo preliminar da movimentação da água no solo foi realizado em uma vertente tendo como

uso predominante à mata em estagio de regeneração (aproximadamente 10 anos) por atividade agrícola

pretérita e agricultura (plantação de couve), conforme apresenta-se a figura 02.

Figura 2: Área de estudo na bacia hidrográfica do Bonfim, RJ. Topossequência com destaque para

a mata e agricultura, coberturas estudadas.

Quanto às características ambientais, esta localidade possui clima mesotérmico úmido, com chuvas

intensas e temperaturas amenas, tendo os maiores índices pluviométricos próximos aos divisores de

drenagem, média anual de 2000 mm. Com topografia bastante acidentada, a bacia é cercada por grandes

maciços arredondados de rochas aflorantes bem fraturas e ainda, presença de depósito de tálus distribuídos

ao longo da encostas e canais de drenagem.

A geologia corresponde ao predomínio de rochas da Série Serra dos Órgãos sendo estes Gnaisses

Granitóides, passando localmente a tipos Graníticos e ainda, a Migmatitos de modo subordinado. Com

relação aos aspectos geomorfológicos, as feições locais são distribuídas entre zonas colinosas, zonas

montanhosas e, vertentes extremamente escarpadas, íngremes com paredões abruptos. Os vales, de

formato V são bem encaixados e dissecados pela drenagem do Bonfim.

Em relação às classes de solos, há predomínio dos Neossolos Litólicos seguido de solos mais

profundos no curso médio do Bonfim, onde o vale se suaviza e forma-se condições favoráveis ao

desenvolvimento dos Cambissolos e Latossolos (Goulart, 1999; Martins, 2007).

Cabe enfatizar que a Bacia Bonfim integra uma das bacias experimentais do Projeto EIBEX

(Estudos Integrados de Bacias Experimentais – Parametrização Hidrológica na Gestão de Recursos

Hídricos das Bacias da Região Serrana do Rio de Janeiro). Este projeto sendo desenvolvido com apoio do

MCT/ FINEP/CT-HIDRO tendo como instituições executoras a COPPE-UFRJ e CPRM – Serviço

Geológico do Brasil, além das instituições colaboradoras tais como, IGEO – UFRJ e CATO-UERJ

(COPPETEC, 2007). O EIBEX tem como objetivo maior entender a dinâmica hidrológica da região, nas

variadas escalas temporais e espaciais, sobre diferentes tipos de uso e ocupação do solo. Para tal,

selecionou-se uma bacia representativa que é a do Piabanha e três experimentais, sendo uma delas a do

Bonfim tendo como critério, o uso e ocupação predominante, no caso da bacia em estudo, a agricultura.

Métodos

1- Unidade Morfopedológica

A seleção dos pontos de ensaios de campo contou, em primeiro momento, com a distinção dos

ambientes tendo como critério, a forma das encostas e a classe de solos. Com isso, tentou-se ressaltar para

o estudo da infiltração, a participação de diferentes tipos de uso, tendo como principais na encosta a mata

em regeneração e agricultura.

Como suporte a esta seleção dos ambientes foram utilizados mapas de Geomorfologia e Solos

produzidos por Goulart (1999); MDT (Modelo Digital do Terreno) e mapa de declividade gerado sobre

dados altimétricos da Carta Topográfica de Petrópolis, todos com escala 1:10.000.

Dentre as unidades pré-selecionadas, elencou-se para este estudo preliminar uma unidade como as

seguintes características: solos mais rasos, Neossolo Litólicos com vertentes retilíneas, declividade

variável entre 20 a 45%.

Foram realizados ensaios de infiltração, permeabilidade e coletas de amostras de solo em três

pontos distintos na área de mata (F1 A,B,C) e três a parte agrícola (A1, A,B,C). Estes pontos são

representados no esquema a seguir juntamente com a fotografia da encosta.

Figura 3: Encosta escolhida para ensaios de campo no estudo da Infiltração.

2- Taxa de Infiltração Básica

Para a determinação da taxa básica de infiltração (TBI) utilizou-se o infiltrômetro de anel duplo

tendo como foco a análise dos primeiros centímetros do solo. Durante a realização dos ensaios procurou-

se manter uma lâmina de água de 5 centímetros em ambos os cilindros, sendo recarregados manualmente.

As leituras foram feitas através de uma régua graduada ligada a uma bóia colocada no cilindro interno, em

intervalos de tempo que variaram em cada ensaio, de acordo com a velocidade em que a água infiltrava no

solo. Os ensaios foram realizados até que a quantidade de água infiltrada fosse aproximadamente

constante com o tempo (mínimo de 2,5 h). Os dados obtidos foram tabulados em uma planilha, para

facilitar os cálculos. A taxa básica de infiltração foi obtida através da equação (1):

TBI (cm/h) = Variação de leitura (cm) X 60 Intervalo de tempo da leitura (min) (1)

3- Condutividade Hidráulica Saturada de Campo

Para aferir a Condutividade Hidráulica Saturada (ksat), utilizou-se o Permeâmetro de Carga

Constante de Campo (tipo Guelph) com carga hidráulica constante de 10 cm. Esses ensaios foram feitos

nas profundidades de 20 e 50 cm, buscando estabelecer uma correlação com as mudanças de manejo e as

propriedades físicas do solo em superfície e subsuperfície.

Os dados de campo são anotados em planilha especifica e após ensaios são obtidos os valores de

Ksat em cm/s através do uso da equação de Elrich et al. (1989), representada a seguir.

(2) onde,

Ksat = Condutividade Hidráulica saturada (L/T) C = constante de proporcionalidade adimensional Q = vazão constante (L3/T) a = raio do furo (L) H = Carga constante aplicada (L) α = parâmetro de correção do meio poroso (L)

4- Amostras Deformadas e Indeformadas

Como suporte as dados de TIB e Ksat, foram coletadas amostras deformadas para exame de

granulometria através do método Embrapa (1996) nas profundidades de 0-10, 20-30, 40-50 cm. Para

indeformadas, foram utilizados extratores do tipo Uhland com anéis volumétricos de 100 cm3, coletadas

nas profundidades de 0-5, 20-25 e 45 a 50 cm. Dessas amostras pretende-se extrair dados de macro e

microporosidade, porosidade total, densidade global e de partículas que serão submetidas ao Método da

Mesa de Tensão (Embrapa, 1996).

Resultados e Discussões

Os resultados obtidos tanto da Condutividade Hidráulica Saturada quanto da Taxa Básica de

Infiltração foram organizados na tabela 1 a seguir.

Ponto do

ensaio

Cobertura e uso

do solo

Ksat

(10 -5cm/s)

20 cm

Ksat

(10 -5cm/s)

50 cm

Taxa Básica de

Infiltração

(cm/h)

A1-A

Agrícola

0,54

0,22

12

A1-B

Agrícola

0,12

0,12

48

A1-C

Agrícola

5,39

2,94

72

F1-A

Florestal

4,57

0,28

180

F1-B

Florestal

4,20

1,22

144

F1- C

Florestal

11,5

4,9

s/d

Tabela 1: Resultados de Ksat em cm/s (condutividade hidráulica saturada) e TBI em cm/h (Taxa Básica

de Infiltração) nos determinados pontos seguindo os dois tipos de uso escolhidos, agricultura e floresta.

Em geral, como observado na tabela, pode-se denotar que tanto a condutividade hidráulica

saturada quanto a taxa de infiltração básica são maiores em ambientes florestados. Isso pode ser atribuído,

primeiramente, a um sistema radicular mais bem desenvolvido na superfície e associada a significante

serrapilheira (aproximadamente 5 a 7 cm de espessura) em ambientes florestais, que distribuem o fluxo de

água que chega nessa região mantendo a umidade do solo nos horizontes subjacentes (Coelho-neto, 1998).

Cabe ressaltar também a existência das biocavidades, como as formadas por formigas e minhocas, como

exemplo, que também podem funcionar como fluxos preferenciais, destacado pelo artigo de Morais e

Bacellar (2008).

Além desse fator, a grande quantidade de matéria orgânica fornecida pela mata, ajuda no aumento

da macroporosidade da parte mais superficial do solo e na estabilidade dos agregados formados, assim

como a cobertura vegetal exerce uma proteção contra o impacto direto das gotas de chuva no solo,

resultando em maiores taxas de infiltração, como verificado no trabalho de Souza et al (2004).

A influência positiva da cobertura vegetal na capacidade de infiltração dos solos é demonstrada em

vários trabalhos tais como Souza et al (2004) que estudou a infiltração em diferentes sistemas de manejo e

floresta na Amazônia, Jordan et al. (2008) que avaliaram a resposta hidrológica de áreas degradadas e de

floresta natural em uma encosta na Espanha e ainda, Tian et al (2008) com acompanhamento do

crescimento de pinheiros na China e sua relação com o aumento da infiltração. .

A TBI nas áreas de florestas foram de 2 a 15 vezes superiores que nas áreas agrícolas, devido a

fatores como os acima mencionados. Os resultados encontrados são similares ao trabalho de Yimer et al

(2008), que ao estudar os efeitos na capacidade de infiltração decorrentes da passagem de florestas para

áreas cultiváveis na Etiópia, encontraram uma redução de 70% da TIB das áreas agrícolas comparadas às

florestais. Araújo et al. (2007) encontraram uma TBI um pouco mais elevada do que este trabalho para

áreas de Cerrado Nativo (204 cm/h), assim como um menor valor para área de produção de grãos (2,1

cm/h). Lipiec et al. (2006), também para cultivos de grãos em um solo franco-siltoso, encontraram uma

TIB de 17 cm/h.

A capacidade de infiltração nas áreas agrícolas apresentou as maiores diferenças entre si. O ponto

localizado na parte inferior da encosta (A1 A) é o que possui menor valor de TIB, enquanto os outros dois

(A1 B e A1 C), localizados no terço médio da encosta, apresentam valores mais elevados. Uma possível

hipótese para esse resultado, é que a encosta estudada se trata de um colúvio, e logo, apresenta grande

heterogeneidade de materiais, influenciando na diversidade dos dados de infiltração. Além disso, com o

passar do tempo, o material mais fino tende a ser depositado no seu terço inferior tornando as camadas

mais superficiais mais argilosas e reduzindo a macroporosidade. Porém, essa hipótese só poderá ser

confirmada com a realização da análise granulométrica em laboratório das amostras recolhidas em campo.

Nos resultados de condutividade hidráulica saturada, para as áreas de cobertura vegetal florestal a

Ksat foi maior na profundidade de 20 cm em relação à de 50. A participação da atividade biogênica nas

camadas mais superficiais é intensa, permitindo a formação de macro e megaporos no solo, por onde a

água flui por fluxo preferencial. Nos primeiros 5 cm do solo, encontra-se raízes fasciculares onde os grãos

dos solos são fixados formando pequenos grumos que auxiliam a percolação da água dentro do perfil. Em

Mesquita et al (2004) encontra-se a relação entre a Ksat e os atributos físicos do solo em diferentes

ambientes, responsabilizando o aumento do fluxo de água no solo pela conexão e formação de pequenos

dutos por atividade biogênica.

Em relação à mudança nos valores de condutividade hidráulica saturada ao longo do perfil na

Floresta, observou-se em campo, uma mudança no gradiente textural e a estrutura identificada foi blocos

subangulares. Os ensaios realizados em 50 cm afastam da zona de raízes onde prevalecem às

características pedológicas do perfil. Essa mudança na textura e estrutura em relação aos primeiros

centímetros, pode ter interferido na condução da água para o interior do perfil, reduzindo mais que a

metade dos valores encontrados em 20 cm. Nos artigos de Wu et al (1993) Beven et al (1982) e Mesquita

(2004) há uma discussão em torno da condutividade associada à fração granulometria, afirmando a

redução dos fluxos em detrimento as frações mais finas, intensificando essa queda quando não

estruturados.

Em se tratando dos pontos com presença de agricultura, a Ksat foi maior em 20 cm que em 50 cm

nos pontos A1 A e A1 C. Já no ponto A1 B ela se manteve constante ao longo das duas profundidades. O

revolvimento do solo para o plantio pode ter aumentado a aeração e porosidade gerando condições para

melhor percolação. Esse tipo de preparo melhora a qualidade do solo para a infiltração em curto prazo, no

entanto, em longo prazo, pode reduzir a permeabilidade pela modificação na densidade e porosidade como

apontado por Cavalieri et al (2009) no estudo de solos com manejo e sem manejo no Paraná.

Com exceção do ponto A1 C, nota-se uma menor permeabilidade em relação à floresta. O

revolvimento do solo com arado a cada ciclo (em torno de 3 meses) de plantio e colheita das hortaliças

altera a estrutura do solo, influenciando nesses valores. Outro dado a ser confirmado com estudos das

propriedades físicas mais amiúde, é a influencia desse manejo na densidade do solo e porosidade (macro e

micro). Exemplos de alterações dessas propriedades físicas são verificados nos trabalhos de Silva et al

(2005) que estudou a solos do Tabuleiro Costeiro com diferentes formas de manejo no plantio da cana-de-

açúcar comparando com ambientes florestados e, Souza (2004) que comparou essas mesmas propriedades

em diversos sistemas de plantio em solos Amazônico, encontrado menor densidade global e maior

presença de macroporos em solos sobre capoeira, guaraná e floresta.

Resumidamente, observa-se uma maior percolação na área de floresta em relação a agrícola, tanto

para TIB quanto para Ksat. Nos ensaios realizados em 50 cm, nas duas áreas os dados são próximos, o que

podemos destacar as maiores diferenças nas camadas mais superficiais. A análise das propriedades físicas

permitirá maior suporte para discussão desses resultados uma vez que as medidas de densidade e

porosidade dão o parecer de como o solo se comportará frente à entrada de água.

CONCLUSÃO

Pode-se concluir com esse estudo preliminar que as mudanças no tipo de uso e cobertura do solo

acarretam mudanças no comportamento da infiltração e percolação da água no solo.

A relação entre degradação e falta de manejo adequado é diretamente proporcional à intensidade

dos impactos sofridos pelos solos e estes, tornam-se potencialmente mais afetados quando em ambientes

serranos (pela própria ação gravitacional).

O ambiente florestado possui condições ideais para conservação e regeneração das propriedades

físicas dos solos. A floresta é tida como um ótimo nos estudos que envolvem a infiltração. No entanto,

ainda temos que evoluir positivamente na comparação de ambientes florestados e na afirmação do quanto

ela é um ótimo para a hidrologia. Também traçarmos rumos na comparação de ambientes não somente

florestados e com agricultura, mas, também, com pastagem e em outras unidades morfopedológicas.

Essa bacia hidrográfica do Bonfim é uma bacia experimental no estudo hidrológico e na

parametrização e com isso, pretende futuramente, explorar mais pontos extrapoláveis a escala da própria

Bacia e também, gerar modelos hidrológicos aplicáveis a ambientes serranos.

AGRADECIMENTOS

CNPq – apoio financeiro com a bolsa de mestrado

Projeto EIBEX – financiamento dos instrumentos e apoio.

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